TW201728402A - 朗之萬型超音波振動器的振動激發方法及超音波加工方法與超音波傳遞方法 - Google Patents

朗之萬型超音波振動器的振動激發方法及超音波加工方法與超音波傳遞方法 Download PDF

Info

Publication number
TW201728402A
TW201728402A TW105133443A TW105133443A TW201728402A TW 201728402 A TW201728402 A TW 201728402A TW 105133443 A TW105133443 A TW 105133443A TW 105133443 A TW105133443 A TW 105133443A TW 201728402 A TW201728402 A TW 201728402A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
ultrasonic
vibration
ultrasonic vibrator
vibrator
piezoelectric element
Prior art date
Application number
TW105133443A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI724040B (zh
Inventor
Kazumasa Ohnishi
Original Assignee
Uwave Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2015216119A external-priority patent/JP2018202269A/ja
Application filed by Uwave Co Ltd filed Critical Uwave Co Ltd
Publication of TW201728402A publication Critical patent/TW201728402A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI724040B publication Critical patent/TWI724040B/zh

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0611—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile
    • B06B1/0618—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile of piezo- and non-piezoelectric elements, e.g. 'Tonpilz'
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0223—Driving circuits for generating signals continuous in time
    • B06B1/0238—Driving circuits for generating signals continuous in time of a single frequency, e.g. a sine-wave
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23C—MILLING
    • B23C5/00—Milling-cutters
    • B23C5/02—Milling-cutters characterised by the shape of the cutter
    • B23C5/06—Face-milling cutters, i.e. having only or primarily a substantially flat cutting surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B47/00—Drives or gearings; Equipment therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26D—CUTTING; DETAILS COMMON TO MACHINES FOR PERFORATING, PUNCHING, CUTTING-OUT, STAMPING-OUT OR SEVERING
    • B26D7/00—Details of apparatus for cutting, cutting-out, stamping-out, punching, perforating, or severing by means other than cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/70—Specific application
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/70—Specific application
    • B06B2201/71—Cleaning in a tank
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/70—Specific application
    • B06B2201/72—Welding, joining, soldering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B2201/00—Indexing scheme associated with B06B1/0207 for details covered by B06B1/0207 but not provided for in any of its subgroups
    • B06B2201/70—Specific application
    • B06B2201/73—Drilling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B08B7/02—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by distortion, beating, or vibration of the surface to be cleaned
    • B08B7/026—Using sound waves
    • B08B7/028—Using ultrasounds

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Forests & Forestry (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • Milling Processes (AREA)
  • Drilling And Boring (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

提供一種使用朗之萬型超音波振動器而激發新穎的振動模式的往復運動的超音波振動之方法、及利用此新穎的超音波振動之超音波加工方法及超音波傳遞方法。一種方法，係準備一包含金屬塊、及具備一朝側面環狀地突出的支撐框體之金屬塊、以及被固定於該些金屬塊之間的經極化處理之壓電元件的朗之萬型超音波振動器，將此超音波振動器透過該支撐框體連接至基台而以拘束狀態予以支撐後，對超音波振動器的壓電元件施加一具有規定頻率之電壓，藉此使超音波振動器在垂直於壓電元件的平面之方向激發一在振動器的內部不具有振動波節之往復振動的超音波振動之方法，以及利用此超音波振動器的振動激發方法之超音波加工方法及超音波傳遞方法。

Description

朗之萬型超音波振動器的振動激發方法及超音波加工方法與超音波傳遞方法
本發明有關朗之萬(Langevin)型超音波振動器的振動激發方法，特別是有關新穎的振動模式的超音波振動之激發方法。本發明還有關利用朗之萬型超音波振動器的新穎的振動模式的超音波振動之超音波加工方法及超音波傳遞方法。
利用壓電元件作為超音波發生源之超音波振動器，已知有各種構成之物，而作為其代表性的構成，已知有一種由一對金屬塊與固定於該些金屬塊之間的經極化(polarization)處理的壓電元件所構成之朗之萬型超音波振動器。其中，又以藉由螺栓將經極化處理的壓電元件連接至一對金屬塊之間，而以高壓鎖緊固定而成之構造的螺栓緊固朗之萬型超音波振動器，可發生高能量的超音波振動，因此被探討利用於附設在用來進行各種材料的切割加工、塑性加工、磨料(abrasive)加工等之工具而使用之超音波加工。又，針對各種超音波振動器，被探討利用於 由將在該超音波振動器發生的超音波振動透過振動板或振動手段予以傳遞而達成之，超音波洗淨、金屬接合、塑膠熔接、超音波霧化、乳化/分散等超音波處理之用途，以及魚群探測機等的水中感音器(聲納)，超音波探傷器，醫療用回聲診斷裝置，流量計等的通訊應用機器，許多領域中正在實際使用。
含有螺栓緊固朗之萬型超音波振動器的各種超音波振動器的構成雖為周知，但謹慎起見，參照所附圖1與圖2，以下簡單說明代表性的螺栓緊固朗之萬型超音波振動器的構成及其利用形態之一例。
圖1為螺栓緊固朗之萬型超音波振動器的代表性的構造之例子示意圖。螺栓緊固朗之萬型超音波振動器1，具有在一對金屬塊2a、2b之間夾住經極化的壓電元件(例：PZT等的壓電陶瓷板)3a、3b，並使用螺栓4將金屬塊2a、2b互相鎖緊而成之構造。圖1中，記載於壓電元件之箭頭表示極化方向。另，在壓電元件3，連接著作為用來施加電能的端子來利用之電極片(通常使用磷青銅等的電極片)5a、5b。
圖2為使用螺栓緊固朗之萬型超音波振動器作為超音波振動源之超音波磨削加工裝置(研磨機)的構成例示意圖。圖2中，超音波磨削加工裝置10，在外罩11內容納超音波振動器1，該超音波振動器1於下端部具備透過喇叭(horn)12而連接之研磨具13，並將此超音波振動器1藉由軸承14予以可旋轉地支撐。超音波振動 器1的旋轉，是藉由連接至伺服單元15之交流轉軸馬達(spindle motor)16而被驅動。圖2的裝置中，超音波振動器1的超音波振動用之電能，是透過和設於外部的電能供給源17連接之由碳刷及滑環(slip ring)所構成之接觸型供電裝置18來供給。
超音波加工裝置中，藉由對各種工具賦予超音波振動而期盼之功效，為由該工具所致之加工作業所必須的電能之節約或加工精度之提升等，但以往被製造而被使用於實際的加工作業之超音波加工裝置，並未充分獲得該期盼之功效。因此，於目前的時間點，超音波加工裝置的普及尚稱不上是充分進展。是故，為了促進超音波加工的進一步普及，於超音波加工作業之實施中，必須加以改良以便可實現減低超音波振動器的振動的激發用所必須之電能量，以及獲得充分的加工精度之提升。
本發明之發明者，過去想出了足以期盼提升和超音波振動器的振動激發所必須的電能量相符之加工精度的各樣各式的超音波振動器的改良發明，並進行了專利申請。例如，就該些改良發明當中最新的發明而言，能夠舉出專利文獻1所揭示之發明。
專利文獻1中，作為一種將工具與超音波振動體之振動複合體以高穩定性予以支撐，且將超音波振動體中發生的超音波能量對於該振動複合體的支撐體(固定支撐體)之漏出抑制在低水準，藉此達成振動能量對於工具之高效率施加的支撐構造，係揭示將凸緣附設於具備工 具之超音波振動體，令凸緣的單側面，在施加了應力的狀態下接觸至另行備妥的固定體上形成之凸緣支撐面，藉此做卡合支撐之支撐構造(但，超音波振動體的凸緣，並非被接合至固定體的凸緣支撐面，此外和固定體的支撐面接觸而受到卡合支撐之超音波振動體的凸緣，係被做成當該超音波振動體處於振動狀態時會朝凸緣的厚度方向做超音波振動之構造)。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：國際公開WO 2014/017460 A1
藉由利用專利文獻1中記載的新式超音波振動器的支撐構造之超音波加工裝置，針對使用以往已知構造的超音波振動器之超音波加工裝置的問題點，已覓得不少解決策。然而，針對利用了專利文獻1中記載的超音波振動器的支撐構造之超音波加工裝置，仍尚未獲得實用上能夠充分滿足之水準的電能必要量之削減及加工精度之提升。
是故，本發明之課題，在於提供一種能夠一併實現實用上能夠充分滿足之水準的電能必要量之削減及加工精度之提升，而適合超音波加工之超音波振動器的構 造與超音波振動器的振動的激發方法。
本發明之發明者，以改良專利文獻1中記載之超音波振動器的支撐構造為目的，重新對超音波振動器當中超音波振動發生的機制進行了探討。而於該探討時，想出了圖3所示之支撐構造，來作為強固地支撐超音波振動器之構造的模型。也就是說，圖3的支撐構造中，當組裝螺栓緊固朗之萬型超音波振動器1時，首先，在配置於前方側之金屬塊(一般稱為「前質量塊」)2b的上側端部的周圍，將環狀的支撐框體6與金屬塊形成為一體，並在此前質量塊2b與配置於後方側之金屬塊(一般稱為「後質量塊」)2a之間，令經極化處理的平板狀的壓電元件3a、3b藉由螺栓4鎖緊固定。然後，備妥像這樣構成之螺栓緊固朗之萬型超音波振動器1後，藉由具備公螺紋之外罩11(此外罩本身連接至未圖示之支撐構造體亦即基台，而被固定)與具備母螺紋之螺帽7的嵌合構造，令環狀的支撐框體6的緣部卡合，予以拘束固定。另，對於螺栓緊固朗之萬型超音波振動器1的壓電元件3之電能供給，是設計成透過形成於外罩11的孔，從設於外罩的外部之超音波振盪電路8施加帶有事先決定好的頻率之電壓。
接下來，作為藉由圖3所示之支撐構造而支撐固定之超音波振動器，為了藉由實驗觀察其振動特性， 係製作了圖4所示之形狀及尺寸(單位：mm)的螺栓緊固朗之萬型超音波振動器1。圖4的螺栓緊固朗之萬型超音波振動器1，是採取下述構成，即，將經極化處理的平板狀壓電元件(PZT壓電元件)3a、3b，配置於不鏽鋼製之後質量塊2a與同樣以不鏽鋼作為材料而和環狀的支撐框體6共同一體地成形之前質量塊2b之間，並藉由同樣和前質量塊2b一體地成形之螺栓4令其鎖緊固定。然後，在前質量塊2b的下部，形成推拔狀的凹部，以用來將裝配有工具的筒夾(collet)嵌入。
為了藉由實驗觀察具有圖4所示形狀及尺寸的螺栓緊固朗之萬型超音波振動器的超音波振動特性，首先使用阻抗分析儀，測定將超音波振動器設為非拘束之狀態下的頻率特性，接下來，將同一超音波振動器，設為以圖3所示支撐構造予以支撐固定(拘束)之狀態，同樣地測定了頻率特性。表現圖4的螺栓緊固朗之萬型超音波振動器的非拘束狀態下之頻率特性的導納曲線如圖5所示，而表現以圖3所示支撐構造予以拘束的狀態下之頻率特性的導納曲線如圖6所示。
由圖5的導納曲線可知，測定對象的螺栓緊固朗之萬型超音波振動器，在非拘束狀態下會在42.125KHz的頻率位置顯現一個導納峰值。此導納峰值的頻率(42.125KHz)，被理解成是激發處於非拘束狀態之圖4的超音波振動器的縱向一次(primary)振動之諧振頻率。
另一方面，在圖6的拘束狀態之螺栓緊固朗之萬型超音波振動器的導納曲線中得知，在和圖5的導納曲線中看到的激發縱向一次振動之諧振頻率接近之頻率(44.375KHz)出現一個導納峰值，又在比該導納峰值的頻率還低頻率側的區域之24.250KHz的頻率位置，出現比上述諧振頻率之導納峰值還稍小之導納峰值。
圖6的導納曲線中出現之二個導納峰值的存在，被理解成是無論哪一頻率皆可激發測定對象的螺栓緊固朗之萬型超音波振動器的超音波振動。也就是說，料想該些二種頻率皆相當於可達成超音波振動之激發的諧振頻率。本發明者著眼於該些在二種相互不同的頻率位置出現之導納峰值的存在，而將帶有近似於由圖6導納曲線中得知之二個諧振頻率的頻率之電壓，施加至圖3所示處於拘束條件之圖4的螺栓緊固朗之萬型超音波振動器，激發超音波振動，並藉由雷射都卜勒振動計測定了處於振動下之後質量塊2a的上端面的縱方向的振動位移量。
按照使用雷射都卜勒振動計而得之上述前質量塊2b的下端面的縱方向的振動位移量的測定結果，得知若藉由施加近似於圖6的相對較大的高頻率側的導納峰值的頻率之頻率(43.86KHz)的電壓，則激發了超音波振動(即所謂縱向一次振動)之超音波振動器的前質量塊2b的下端面的振動位移量為約33μm，該超音波振動所需之電力為約3.5W。又得知，相對於此，施加近似於圖6的相對較小的低頻率側的導納峰值的頻率之頻率 (23.64KHz)的電壓而激發了超音波振動之超音波振動器的前質量塊2b的下端面的振動位移量為約30μm，但該超音波振動所需之電力顯著地減低為約0.5W。
是故，藉由施加相當於在圖6導納曲線的高頻率側出現之相對較大的導納峰值之頻率的電壓而在超音波振動器出現之超音波振動(縱向一次振動)、以及藉由施加相當於在低頻率側出現之相對較小的導納峰值之頻率的電壓而在超音波振動器出現之超音波振動，它們縱方向的振動位移量幾乎成為同等，但用來激發該略同等的振動位移量的超音波振動所必要之電力，後者係成為前者的約1/7(0.5W/3.5W)，也就是說得知，利用圖3所示支撐構造將圖4所示構成的螺栓緊固朗之萬型超音波振動器予以支撐拘束的狀態下，用來激發超音波振動所必要的電力，乃利用後者的施加低頻率側的諧振頻率的電壓下之振動，藉此，相較於利用前者的施加高頻率側的諧振頻率的電壓下之振動(縱向一次振動)的情形而言，會大幅地減低。
接下來，在圖4所示構成的螺栓緊固朗之萬型超音波振動器的前質量塊2b的凹部，裝配具備工具之筒夾，這次還針對該工具的先端部的振動位移量，進行了於縱方向及橫方向兩方向測定之實驗。此實驗中，就設想作為工具之鑽頭的模型而言，選用長度40mm、直徑3mm的截面呈圓形之棒體，將此棒體以突出長度14.8mm裝配至筒夾下端部，使用此超音波加工用工具模型進行了測 定。
上述之工具先端部的振動位移量的測定實驗中，針對在圖4構成的螺栓緊固朗之萬型超音波振動器裝配筒夾與工具而構成之超音波加工用工具模型，基於藉由阻抗分析儀而得到的導納曲線，高頻率側的諧振頻率訂為30.20KHz，而低頻率側的諧振頻率訂為21.09KHz，將帶有各自的頻率之電壓施加至螺栓緊固朗之萬型超音波振動器。
此測定實驗的結果，得知藉由施加高頻率側的諧振頻率的電壓而振動之裝配於超音波振動器之工具的先端部的縱方向的振動位移量為8.33μmp-p，橫方向的振動位移量為0.787μmp-p，而該振動所必要之電力為1.17W。另一方面，得知藉由施加低頻率側的諧振頻率的電壓而振動之裝配於超音波振動器之工具的先端部的縱方向的振動位移量為7.70μmp-p，橫方向的振動位移量為0.248μmp-p，而該振動所必要之電力為0.31W。
是故，由上述測定實驗的結果，得知雖在哪一種諧振頻率下之超音波振動皆得到同等的縱方向的振動位移量，但針對橫方向的振動位移量，施加低頻率側的諧振頻率的電壓所致之振動，相較於施加高頻率側的諧振頻率的電壓所致之振動(縱向一次振動)而言，成為約1/3(0.248/0.787)。此外，在電力使用量方面，也確認到施加低頻率側的諧振頻率的電壓所致之振動，相較於施加高頻率側的諧振頻率的電壓所致之振動(縱向一次振 動)而言，成為約1/4(0.31/1.17)，因此激發超音波振動所必要之電力使用量亦顯著地減低。
由以上記載的實驗結果，得知藉由利用施加相當於在比上述激發超音波振動器的縱向一次振動之諧振頻率還出現於低頻率側之導納峰值的諧振頻率的電壓所致之超音波振動器的振動激發方法，不但實現了顯著減低振動激發所必要之電力，且還實現了顯著減低隨著縱向振動而被激發之橫向振動(橫向搖動)。
本發明者，接下來為了闡明上述藉由施加相當於在比激發超音波振動器的縱向一次振動之諧振頻率還出現於低頻率側之導納峰值的諧振頻率的電壓而發生之超音波振動器的振動的性質，係使用市售的有限元素法(Finite Element Method)之分析軟體亦即ANSYS(經銷商：ANSYS JAPAN公司)，以圖3的拘束條件(也就是說，得到圖6導納曲線之超音波振動器的拘束條件)將圖4的朗之萬型超音波振動器予以拘束的情形下對激發的超音波振動進行了分析。
依上述有限元素法之超音波振動的分析結果，得知藉由施加相當於在比激發超音波振動器的縱向一次振動之諧振頻率還出現於低頻率側之導納峰值的諧振頻率的電壓而發生之超音波振動器的振動，由圖7的ANSYS分析圖像可知，係為超音波振動器全體朝同一縱方向(超音波振動器的長軸方向)振動之往復運動，且為在超音波振動器的內部不存在成為振動波節的部位之超音 波振動(本說明書中，將此振動稱為擬似縱零次振動)。另，按照圖7的圖像，還得知此擬似縱零次振動中，在環狀的支撐框體與基台相接之部位會出現振動波節，環狀的支撐框體本身亦進行和上述超音波振動同相位的超音波振動。也就是說，此擬似縱零次振動的超音波振動，係為超音波振動器全體朝同一縱方向振動之往復運動，且為和縱向一次振動明顯不同之振動，該縱向一次振動為下述模式，即，在超音波振動器的內部具有一個成為振動波節之部位，以該成為波節的部位為交界表現出朝縱方向相互成為反方向之振動模式，因此，施加之電能的損失少，且推測結果而言應必然地會發生往橫方向之振動變少這樣的優點。
另一方面，藉由激發超音波振動器的縱向一次振動之諧振頻率的電壓而發生之振動，由圖8的ANSYS分析圖像亦可知，係為下述模式，即，在超音波振動器的內部具有一個成為振動波節之部位，以該成為波節的部位為交界表現出朝縱方向相互成為反方向之振動。
本發明，是基於和朗之萬型超音波振動器中的超音波振動的激發有關之由上述本發明者所得之新穎見解而完成之發明。
是故，藉由本發明，提供一種朗之萬型超音波振動器的新穎的振動激發方法，其特徵為：準備一包含金屬塊、及具備一朝側面環狀地突出的支撐框體之金屬塊、以及被固定於該些金屬塊之間的經極化處理之壓電元 件的朗之萬型超音波振動器，將此朗之萬型超音波振動器透過該支撐框體連接至基台而以拘束狀態予以支撐後，對該超音波振動器的壓電元件施加一電壓，該電壓具有一頻率，該頻率能夠在垂直於該壓電元件的平面之方向激發一由在該超音波振動器的內部不具有振動波節之往復振動所構成之超音波振動，藉此，使該朗之萬型超音波振動器在垂直於該壓電元件的平面之方向激發一由在該超音波振動器的內部不具有振動波節之往復振動所構成之超音波振動(擬似縱向零次振動)。
此外，藉由本發明，還提供一種振動激發方法，是在上述超音波振動器的振動激發方法中，能夠激發擬似縱零次振動之頻率，係為比激發該振動器的縱向一次振動模式的振動之諧振頻率還低的頻率範圍中包含之頻率。
此外，藉由本發明，還提供一種振動激發方法，是在上述的超音波振動器的振動激發方法中，環狀的支撐框體與基台相接之部位具有振動的波節，而進行和上述超音波振動同相位之超音波振動。
再者，藉由本發明，提供一種超音波加工方法，其特徵為：準備一超音波加工裝置，其係將一包含金屬塊、及具備一朝側面環狀地突出的支撐框體之金屬塊、以及被固定於該些金屬塊之間的經極化處理之壓電元件的朗之萬型超音波振動器，於在此朗之萬型超音波振動器的一方的端部連接著工具之狀態下，透過上述支撐框體連接 至基台而以拘束狀態予以支撐而成，對該朗之萬型超音波振動器的壓電元件施加一電壓，該電壓具有一頻率，該頻率能夠在垂直於該壓電元件的平面之方向激發一由在該超音波振動器的內部不具有振動波節之往復振動所構成之超音波振動，而在垂直於該壓電元件的平面之方向激發一由在該超音波振動器的內部不具有振動波節之往復振動所構成之超音波振動，藉此，對上述工具傳達該超音波振動。
再者，藉由本發明，還提供一種超音波加工方法，是在上述超音波加工方法中，工具為繞上述朗之萬型超音波振動器的中心軸的周圍做軸旋轉之工具。
再者，藉由本發明，還提供一種超音波加工方法，是在上述超音波加工方法中，工具為進行沿著上述朗之萬型超音波振動器的中心軸的方向之往復運動之工具。
再者，藉由本發明，提供一種超音波傳遞方法，其特徵為：準備一超音波傳遞裝置，其係將一包含金屬塊、及具備一朝側面環狀地突出的支撐框體之金屬塊、以及被固定於該些金屬塊之間的經極化處理之壓電元件的朗之萬型超音波振動器，於在此朗之萬型超音波振動器的一方的端部連接著超音波傳遞具之狀態下，透過上述支撐框體連接至基台而以拘束狀態予以支撐而成，對該朗之萬型超音波振動器的壓電元件施加一電壓，該電壓具有一頻率，該頻率能夠在垂直於該壓電元件的平面之方向激發一由在該超音波振動器的內部不具有振動波節之往復振動所 構成之超音波振動，而在垂直於該壓電元件的平面之方向激發一由在該超音波振動器的內部不具有振動波節之往復振動所構成之超音波振動(擬似縱向零次振動)，藉此，對上述超音波傳遞具傳達該超音波振動。
本發明之超音波振動器的振動激發方法，實現一種超音波振動器的新模式的超音波振動亦即擬似縱零次振動之激發。又，依利用本發明之超音波振動器的振動激發方法之超音波加工方法，可達成使用超音波振動器之超音波加工的省電力化，此外還實現加工精度的提升。此外，依利用本發明之超音波振動器的振動激發方法之超音波傳遞方法，可達成超音波傳遞的省電力化，又，從超音波振動器發生的擬似縱零次振動的超音波振動會顯現高指向性，因此可達成效率良好的超音波振動之傳遞。
1‧‧‧螺栓緊固朗之萬型超音波振動器
2a‧‧‧金屬塊(後質量塊)
2b‧‧‧金屬塊(前質量塊)
3‧‧‧壓電元件
4‧‧‧螺栓
5a‧‧‧銅電極
5b‧‧‧銅電極
6‧‧‧環狀的支撐框體
7‧‧‧螺帽
10‧‧‧超音波磨削加工裝置
11‧‧‧外罩
12‧‧‧喇叭
13‧‧‧磨削具
〔圖1〕代表性的螺栓緊固朗之萬型超音波振動器的構成示意圖。
〔圖2〕利用螺栓緊固朗之萬型超音波振動器之超音波加工裝置的構成的例子示意圖。
〔圖3〕能夠利用本發明之超音波振動器的振動激發方法之超音波振動器的支撐固定(拘束)構造的例子示意 圖。
〔圖4〕能夠利用本發明之超音波振動器的振動激發方法之超音波振動器的構成的例子示意圖。
〔圖5〕圖4所示超音波振動器的非拘束狀態下之表現頻率特性之導納曲線示意圖。
〔圖6〕以圖3所示支撐構造予以拘束之圖4的超音波振動器的表現頻率特性之導納曲線示意圖。
〔圖7〕基於有限元素法所做的評估結果，藉由遵照本發明之超音波振動器的振動激發方法而發生之振動模式(擬似縱向零次振動)示意圖。
〔圖8〕基於有限元素法所做的評估結果，藉由超音波振動器的縱向一次振動而發生之振動模式示意圖。
〔圖9〕圖(A)揭示超音波振動器的縱向一次振動的振動模式，而圖(B)予以擴大揭示以表現該壓電元件部分的舉動。
〔圖10〕本發明之超音波振動器的振動激發方法中利用之擬似縱零次振動的振動模式模型化示意圖。
〔圖11〕本發明之超音波振動器的振動激發方法中利用之超音波振動器的形狀與尺寸以及支撐固定構造的其他例子示意圖。
〔圖12〕以有限元素法所做的圖像來示意圖11所示超音波振動器的支撐固定構造下藉由激發而發生之超音波振動(擬似縱零次振動)之圖。
〔圖13〕圖(A)揭示本發明之超音波振動器的振動 激發方法中利用之超音波振動器的支撐固定構造的其他例子，圖(B)揭示將遵照本發明之擬似縱零次振動與習知技術中利用之縱向一次振動予以組合來使用位於此支撐固定構造之超音波振動器的超音波加工振動模式。
〔圖14〕本發明之超音波加工方法之實施中使用之超音波加工裝置的一種態樣亦即使用鑽頭作為工具之穿孔裝置的構成例示意圖。
〔圖15〕本發明之超音波加工方法之實施中使用之超音波加工裝置的一種態樣亦即使用研磨具作為工具之研磨裝置的構成例示意圖。
〔圖16〕本發明之超音波加工方法之實施中使用之超音波加工裝置的一種態樣亦即使用切割機(切斷具)作為工具之磨削裝置的構成例示意圖。
〔圖17〕本發明之超音波傳遞方法之實施中使用之超音波傳遞裝置的一種態樣亦即具備有超音波振動器之洗淨器的構成例示意圖。
〔圖18〕本發明之超音波傳遞方法之實施中使用之超音波傳遞裝置的一種態樣亦即超音波聲納的構成例示意圖。
本發明之超音波振動器的新穎振動激發方法中利用之諧振頻率(比對應於激發超音波振動器的縱向一次振動模式的振動之諧振頻率的導納峰值還出現於低頻率 側之導納峰值所對應之諧振頻率：本說明書中表現為激發擬似縱零次振動之諧振頻率)的存在，就本發明者所知，至今從未受到所屬技術領域者所認知。此外，上述利用擬似縱零次振動之超音波振動器的振動激發方法，就本發明者所知，至今從未被實施。
為了實施遵照本發明之利用激發擬似縱零次振動的諧振頻率之超音波振動器的振動激發方法，首先，必須製造出可將超音波振動器堅固地支撐固定(拘束)於一設想在外部之支撐體(基台)之，具備如圖4示例般構成的環狀的支撐框體之超音波振動器。然後，將像這樣製造出的超音波振動器，藉由圖3所示般的方法，於環狀的支撐框體的周緣部藉由外罩與螺帽予以支撐固定(拘束)。另，圖3中，環狀的支撐框體6，是形成於前質量塊2b，但環狀的支撐框體亦可形成於後質量塊。此外，環狀的支撐框體理想是一體地形成於前質量塊或後質量塊，但亦能將獨立形成之環狀或圓盤狀的支撐框體裝配固定於前質量塊或後質量塊，或是裝配固定於前質量塊與後質量塊之間。
接著，藉由阻抗分析儀測定如前述般利用環狀的支撐框體而支撐固定之超音波振動器的振動特性，得到圖6所示般的導納曲線。該導納曲線中，若出現如圖6般的二個峰值(導納峰值)，則通常能夠判斷在高頻側出現之峰值的頻率為激發縱向一次振動之諧振頻率，在低頻率側出現之峰值的頻率為能夠利用於激發擬似縱零次振動 之諧振頻率。另，若有必要，亦能將超音波振動器設為非拘束狀態後，利用阻抗分析儀得到導納曲線，並比較和在該導納曲線出現之導納峰值相當的頻率(相當於激發縱向一次振動之諧振頻率)、與前述高頻率側的導納峰值的頻率，依此確認該高頻率側的諧振頻率是否相當於激發縱向一次振動的諧振頻率。
依超音波振動器的形狀不同，導納曲線中也可能不會出現明確的縱向一次振動的導納峰值。在此情形下，還能夠遵照利用周知之計算式之方法，推定激發縱向一次振動之諧振頻率，並將在比該諧振頻率還出現於低波長側之區域的導納峰值的頻率決定為擬似縱零次振動的頻率，藉由施加具有此擬似縱零次振動的頻率之電壓來激發目標之擬似縱零次振動。
另一方面，在導納曲線中出現了三個以上的導納峰值的情形下，亦能夠藉由上述方法推定激發縱向一次振動之諧振頻率，並將出現於比該諧振頻率還還低波長側的區域的鄰接之位置的導納峰值的頻率訂為擬似縱零次振動的頻率，而施加具有此擬似縱零次振動的頻率之電壓，藉此激發目標之擬似縱零次振動。
將工具裝配至上述的超音波振動器來構成超音波加工用振動工具，而對該超音波加工用振動工具施加藉由前述方法而決定之擬似縱零次振動激發用之諧振頻率的電壓，藉此便能對該工具激發擬似縱零次振動。但，藉由前述方法而決定之擬似縱零次振動激發用之諧振頻率， 是藉由未裝配著工具及筒夾等工具裝配具之狀態下的測定而確認出之諧振頻率，因此可能會和能夠激發工具的擬似縱零次振動之最佳諧振頻率稍微發生偏差。此外，即使因超音波加工用振動工具的拘束條件(支撐固定條件)的些微偏差，也可能發生最佳諧振頻率之偏差。是故，若要決定令工具裝配而拘束於基台之超音波振動器的擬似縱零次振動激發用之諧振頻率，理想是利用能夠一面確認受激發之超音波振動一面決定最佳諧振頻率這樣可做諧振頻率的追蹤之超音波振盪電路來進行。
另，製造如圖4般構成的超音波振動器，並藉由如圖3所示般的支撐固定構造來拘束超音波振動器的狀態下，當即使利用阻抗分析儀得到導納曲線，也未出現如圖6所示般複數個(通常為二個)導納峰值的情形下，有時藉由調整超音波振動器的拘束條件，便會得到如圖6所示般具有二個峰值之導納曲線。然而，當即使藉由這樣超音波振動器的拘束條件之調整，仍無法得到如圖6所示般具有二個峰值之導納曲線的情形下，則料想超音波振動器的形狀設定、或超音波振動器的支撐固定構造並不適合激發設為目標之擬似縱零次振動，因此必須重新以圖3的超音波振動器的拘束條件與圖4的超音波振動器的形狀及尺寸作為參考，對超音波振動器的設計變更及支撐固定構造進行再檢討。另，圖3的超音波振動器的拘束條件與圖4的超音波振動器的形狀及尺寸，僅是揭示本發明之實施方法的代表性態樣，並非限定本發明之超音波振動器的擬 似縱零次振動的激發方法的實施態樣之條件。
如前述般，本發明者，是將藉由本發明之超音波振動器的振動激發方法而發生之超音波振動，訂為「由在垂直於壓電元件的平面之方向在該振動器的內部不具有振動波節之往復振動所構成之超音波振動」。接著，再次說明導向此結論的根據之資料。
如前述般，出現於圖6的導納曲線的低頻率側之導納峰值的存在，就本發明者所知，尚未有人知曉。因此，和出現於此低頻率側的導納峰值之頻率位置相當之頻率究竟意味著什麼，本發明者一開始無法判斷。然而，由目前為止說明之實驗事實可知，和此低頻率側的導納峰值出現之頻率位置相當之頻率，亦為該超音波振動器的諧振頻率，且已證實藉由施加該諧振頻率的電壓而在處於拘束狀態之超音波振動器所激發之縱方向的超音波振動，會以較少的消費電力發生，又橫方向的振動較少。
因此，本發明者，為了分析本次確認出之超音波振動的振動模式，如前述般，使用基於市售的有限元素法之計算軟體亦即ANSYS，就實驗中使用之超音波振動器的形狀、尺寸、材料以及超音波振動器的支撐固定條件(拘束條件)下，對於在超音波振動器發生之超音波振動的振動模式進行了分析。該振動模式的分析結果如圖7及圖8所示。
如前述般，圖7為表示對遵照本發明之拘束條件下的超音波振動器施加低頻率側的諧振頻率的電壓的 情形下出現之振動模式的圖像，由此圖像可知，在超音波振動器出現之振動係為超音波振動器全體朝向單一方的方向之振動，該振動的波節不存在於超音波振動器的內部，而是存在於超音波振動器的環狀支撐框體的外側端部(相當於對於基台之連接部)。接著，圖8為表示當對拘束條件下的超音波振動器施加高頻率側的諧振頻率的電壓的情形下出現之振動模式的圖像，由此圖像可知，在超音波振動器出現之振動，係為在超音波振動器內部具有波節，而以該波節為交界朝上下振動之伸縮振動。
圖9為圖7所示圖像所表示之振動模式的模型化說明圖。也就是說，若為遵照本發明之振動模式的超音波振動，則超音波振動器，全體而言會反覆做朝單一方的方向振動之往復振動。將超音波振動器支撐固定於基台之環狀的支撐框體，係在與基台之連接部(相當於環狀支撐框體的周緣部)具有波節，而相當於超音波振動器的連接部之環狀支撐框體的內周部，亦表現出反覆做和超音波振動器同步的往復運動之振動。此振動模式相當於本說明書中說明之擬似縱零次縱向振動模式。
圖10(A)為圖8所示圖像所表示之振動模式的模型化說明圖。也就是說，圖8的超音波振動中，超音波振動器，在該壓電元件存在之略中央部(壓電元件存在之位置)具有波節，反覆做朝上下伸縮之振動(縱向一次振動)。縱向一次振動為像這樣之伸縮振動，因此研判當激發裝配著工具之一方側的面(下側面)的縱向振動 時，為了得到和圖9所示擬似縱零次縱向振動模式中實現之下側面的縱向振動同等的振動量(位移量)，會變得需要相對較大的電力。
圖10(B)為將圖10(A)所示超音波振動器的振動情況予以模型化地擴大示意之圖，且為將因施加電能而在壓電元件3出現之變形狀況(推定狀況)予以模型化地示意之圖。也就是說，壓電元件3，會因被施加之電能的變動而反覆做膨脹與收縮，而於其膨脹時，如圖所示，料想中央部會以對抗被賦予至壓電元件之壓力的形式，而以膨出的方式變形。是故，若此壓電元件的變形並非以完全對稱於該中心之形狀發生，則超音波振動器的上下的端面不會和伸縮振動的中心面成為完全的平行面，因此，研判超音波振動器的上下的端面之橫向振動會變得容易發生。
圖11為本發明之超音波振動器的振動激發方法中能夠利用之超音波振動器的形狀及尺寸(單位：mm)以及支撐固定構造的其他例子示意圖，圖12為以藉由有限元素法得到的圖像來示意圖11所示超音波振動器的支撐固定構造下藉由激發而發生之超音波振動(擬似縱零次振動)之圖。如同圖7所示之圖像般，在超音波振動器出現之振動係為超音波振動器全體朝向單一方的方向之往復振動，其振動的波節不存在於超音波振動器的內部，而是存在於超音波振動器的環狀支撐框體的外側端部(相當於對於基台之連接部)。
藉由本發明而在超音波振動器激發之擬似縱零次振動，亦能和習知利用之縱向一次振動予以組合利用。參照圖13(A)及(B)說明該利用之態樣。
圖13(A)及(B)，分別為本發明之超音波振動器的振動激發方法中利用之超音波振動器的支撐固定構造的其他例子示意圖、以及將遵照本發明之擬似縱零次振動與習知技術中利用之縱向一次振動予以組合來使用位於此支撐固定構造之超音波振動器的超音波加工振動模式示意圖。例如，當在圖13(A)的超音波振動器的右側的前質量塊的端部裝配著切斷刀具(切割機)作為工具而用於切斷加工的情形下，為了提升該切斷刀具所做的切斷作業的作業效率以及防止切斷刀具的局部疲勞，可以設想一種在超音波振動器令圖(B)所示之擬似縱零次振動模式的振動與縱向一次振動模式的振動交互發生這樣的實施形態。
圖14為本發明之超音波加工方法的一種利用態樣亦即使用鑽頭作為工具(繞超音波振動器的中心軸周圍旋轉之工具)之穿孔裝置的構成例示意圖(超音波振盪電路的圖示省略)。此圖14，就使用鑽頭作為工具之超音波加工裝置的超音波振動器而言，揭示一種使用能夠賦予本發明之擬似縱零次振動的超音波振動之朗之萬型超音波振動器的裝置。
圖14所示之超音波加工裝置，係構成為在超音波振動器支撐旋轉裝置裝配有具備工具之朗之萬型超音 波振動器，而該超音波振動器支撐旋轉裝置包含：電動機21、電動機軸22、電動機台23、聯軸器(結合具)24、旋轉軸25、旋轉變壓器固定部26a、旋轉變壓器旋轉部26b、固定側變壓器台27、套筒28、旋轉側變壓器台29、外側隔環用環30、殼31、外罩32、外側隔環33a、內側隔環33b、以及軸承34。此超音波振動器支撐旋轉裝置，為超音波加工裝置中一般被利用作為超音波振動器支撐旋轉裝置之裝置。
在超音波振動器支撐旋轉裝置的下端部，具有藉由前質量塊36與後質量塊37將壓電元件35a、35b夾住並藉由以螺栓38鎖緊而固定而成之構成的朗之萬型超音波振動器，係藉由螺帽39(其本身被裝配固定於基台)而被裝配固定(拘束)。又，在朗之萬型超音波振動器的前質量塊36的凹部，筒夾40係藉由筒夾螺帽41而被裝配固定，又在筒夾40裝配固定有工具亦即鑽頭42。
圖15為本發明之超音波加工方法的一種利用態樣亦即使用研磨具作為工具(繞超音波振動器的中心軸周圍旋轉之工具)之研磨裝置的構成例示意圖(超音波振盪電路的圖示省略)。此圖15之研磨裝置的超音波振動器支撐旋轉裝置，係和圖14所示之超音波加工裝置的超音波振動器支撐旋轉裝置做成同一構成。又，圖15的研磨裝置中同樣地，在超音波振動器支撐旋轉裝置的下端部，具有藉由前質量塊36與後質量塊37將壓電元件35a、35b夾住並藉由以螺栓38鎖緊而固定而成之構成的 朗之萬型超音波振動器，係藉由螺帽39而被裝配固定(拘束)。又，在朗之萬型超音波振動器的前質量塊36的下端部，工具亦即環狀砥石43係透過砥石基台(通常為鋁合金製)44而被裝配固定。
圖16為本發明之超音波加工方法的一種利用態樣亦即使用切割機作為工具(朝超音波振動器的軸方向往復運動之工具)之磨削裝置的構成例示意圖。此磨削裝置中，磨削裝置與加工對象材料(工件)的一方或雙方係朝水平方向移動以改變相對位置關係，而裝配於超音波振動器之切割機52是朝上下方向振動(往復運動)，因此超音波振動器的支撐構造體不會旋轉。是故，圖16的磨削裝置中，在筒狀外罩51的內部下側，具有藉由具備有環狀的支撐框體36a之前質量塊36與後質量塊37將壓電元件35a、35b夾住並藉由以螺栓38鎖緊而固定而成之構成的朗之萬型超音波振動器，係藉由螺帽39(其本身被裝配固定於基台)而被裝配固定(拘束)。又，在朗之萬型超音波振動器的前質量塊36的凹部，筒夾40係藉由筒夾螺帽41而被裝配固定，又在筒夾40裝配固定有工具亦即切割機52。
形成於壓電元件35a、35b各者的表面之電極板53a、53b，係和超音波振盪電路54電性連接，對超音波振動器施加電能。
另，圖16的磨削裝置中，作為用來將朗之萬型超音波振動器確實固定於外罩51的內部之手段，係充 填有發泡樹脂55。
圖17為利用本發明之超音波傳遞方法的裝置的一種態樣亦即具備有超音波振動器之洗淨器的構成例示意圖。圖17的裝置中，具有藉由前質量塊36與後質量塊37將壓電元件35a、35b夾住並藉由將螺栓38以形成於後質量塊37之螺帽予以鎖緊而固定而成之構成的朗之萬型超音波振動器，係藉由螺帽39而被裝配固定(拘束)於外罩51。又，在朗之萬型超音波振動器的前質量塊36的上端部，裝配於洗淨器(未圖示)的底部之振動板56，係藉由螺栓57而被裝配固定。
圖18為利用本發明之超音波傳遞方法的裝置的一種態樣亦即超音波聲納的構成例示意圖。圖18的超音波聲納中同樣地，具有藉由前質量塊36與後質量塊37將壓電元件35a、35b夾住並藉由將螺栓38以形成於後質量塊37之螺帽予以鎖緊而固定而成之構成的朗之萬型超音波振動器，係藉由螺帽39而被裝配固定(拘束)於外罩51。又，在朗之萬型超音波振動器的前質量塊36的上端部，透過螺栓57而裝配固定有用來將超音波於空氣中傳遞之傳遞具58。
另，利用本發明之擬似縱零次振動的超音波加工方法及能夠利用於超音波傳遞方法的實施之裝置，並不限定於所附圖面中揭示之構成的裝置。也就是說，在作為利用超音波之彎折加工、深抽加工、引縮加工(ironing)、抽拉加工等塑性加工，利用超音波之磨削加 工，利用超音波之遊離磨料加工，利用超音波之接合加工，利用超音波之塑膠成形加工，利用超音波之微機械加工(micromachining)，利用超音波之分散裝置或霧化裝置、超音波電動機、超音波白內障手術裝置、超音波破碎吸引裝置、超音波結石破碎裝置、超音波牙科用治療裝置、超音波連續鑄造裝置、超音波侵蝕試驗裝置、聚乙烯交聯裝置、超音波乾燥裝置、超音波空中感測器、超音波流量計等的超音波發生源而使用朗之萬型超音波振動器之各種裝置中，能夠利用本發明之振動激發方法所提供之擬似縱零次振動。

Claims (10)

  1. 一種朗之萬型超音波振動器的振動激發方法，其特徵為：準備一包含金屬塊、及具備一朝側面環狀地突出的支撐框體之金屬塊、以及被固定於該些金屬塊之間的經極化處理之壓電元件的朗之萬型超音波振動器，將此朗之萬型超音波振動器透過該支撐框體連接至基台而以拘束狀態予以支撐後，對該超音波振動器的壓電元件施加一電壓，該電壓具有一頻率，該頻率能夠在垂直於該壓電元件的平面之方向激發一由在該超音波振動器的內部不具有振動波節之往復振動所構成之超音波振動，藉此，使該朗之萬型超音波振動器在垂直於該壓電元件的平面之方向激發一由在該振動器的內部不具有振動波節之往復振動所構成之超音波振動。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之朗之萬型超音波振動器的振動激發方法，其中，能夠激發上述超音波振動之頻率，係為比激發該朗之萬型超音波振動器的縱向一次振動模式的振動之諧振頻率還低的頻率範圍中包含之頻率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之朗之萬型超音波振動器的振動激發方法，其中，在上述支撐框體與基台相接之部位具有振動的波節，該支撐框體亦進行和上述超音波振動同相位之超音波振動。
  4. 一種超音波加工方法，其特徵為：準備一超音波加工裝置，其係將一包含金屬塊、及具備一朝側面環狀地突出的支撐框體之金屬塊、以及被固定於該些金屬塊之間 的經極化處理之壓電元件的朗之萬型超音波振動器，於在此朗之萬型超音波振動器的一方的端部連接著工具之狀態下，透過上述支撐框體連接至基台而以拘束狀態予以支撐而成，對該朗之萬型超音波振動器的壓電元件施加一電壓，該電壓具有一頻率，該頻率能夠在垂直於該壓電元件的平面之方向激發一由在該超音波振動器的內部不具有振動波節之往復振動所構成之超音波振動，而在垂直於該壓電元件的平面之方向激發一由在該超音波振動器的內部不具有振動波節之往復振動所構成之超音波振動，藉此，對上述工具傳達該超音波振動。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之超音波加工方法，其中，上述工具為繞上述朗之萬型超音波振動器的中心軸的周圍做軸旋轉之工具。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之超音波加工方法，其中，上述工具為從端銑刀、鑽頭、研磨具及磨削具所構成之群組中選擇之工具。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之超音波加工方法，其中，上述工具為進行沿著上述朗之萬型超音波振動器的中心軸的方向之往復運動之工具。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之超音波加工方法，其中，上述工具為從切割具、振動板及熔接具所構成之群組中選擇之工具。
  9. 一種超音波傳遞方法，其特徵為：準備一超音波傳遞裝置，其係將一包含金屬塊、及具備一朝側面環狀地 突出的支撐框體之金屬塊、以及被固定於該些金屬塊之間的經極化處理之壓電元件的朗之萬型超音波振動器，於在此朗之萬型超音波振動器的一方的端部連接著超音波傳遞具之狀態下，透過上述支撐框體連接至基台而以拘束狀態予以支撐而成，對該朗之萬型超音波振動器的壓電元件施加一電壓，該電壓具有一頻率，該頻率能夠在垂直於該壓電元件的平面之方向激發一由在該超音波振動器的內部不具有振動波節之往復振動所構成之超音波振動，而在垂直於該壓電元件的平面之方向激發一由在該超音波振動器的內部不具有振動波節之往復振動所構成之超音波振動，藉此，對上述超音波傳遞具傳達該超音波振動。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之超音波傳遞方法，其中，上述超音波傳遞具為振動板。
TW105133443A 2015-10-15 2016-10-17 朗之萬型超音波振動器的振動激發方法及超音波加工方法與超音波傳遞方法 TWI724040B (zh)

Applications Claiming Priority (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015-216119 2015-10-15
JP2015216119A JP2018202269A (ja) 2015-10-15 2015-10-15 超音波振動子とその駆動方法
JP2015-232362 2015-11-10
JP2015232362 2015-11-10
JP2016040472 2016-02-15
JP2016-040472 2016-02-15
JP2016-097209 2016-05-13
JP2016097209 2016-05-13

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201728402A true TW201728402A (zh) 2017-08-16
TWI724040B TWI724040B (zh) 2021-04-11

Family

ID=58517257

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW105133443A TWI724040B (zh) 2015-10-15 2016-10-17 朗之萬型超音波振動器的振動激發方法及超音波加工方法與超音波傳遞方法
TW110110449A TW202126426A (zh) 2015-10-15 2016-10-17 朗之萬型超音波振動器的振動激發方法及超音波加工方法與超音波傳遞方法

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110110449A TW202126426A (zh) 2015-10-15 2016-10-17 朗之萬型超音波振動器的振動激發方法及超音波加工方法與超音波傳遞方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20180304308A1 (zh)
EP (1) EP3363548A4 (zh)
JP (1) JP6758715B2 (zh)
KR (1) KR20180067551A (zh)
CN (2) CN112604929A (zh)
TW (2) TWI724040B (zh)
WO (1) WO2017065263A1 (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109843487B (zh) * 2017-02-10 2020-12-08 优威富有限公司 超声波振动赋予用具及超声波加工装置
CN108104802A (zh) * 2017-12-08 2018-06-01 重庆举程科技发展有限公司 一种超声波转能器
CN112188938B (zh) * 2018-05-30 2022-01-18 优威富有限公司 超声波振动赋予用具、行进波产生装置及超声波加工装置
CN109500662B (zh) * 2018-12-20 2019-11-15 中国人民解放军国防科技大学 一种基于扩展式磁流变抛光的励磁装置
CN109731761B (zh) * 2019-01-29 2024-02-13 河南理工大学 齿轮齿根超声挤压强化专用装置
WO2020209362A1 (ja) * 2019-04-11 2020-10-15 有限会社Ｕｗａｖｅ 超音波振動付与具
DE102021108462A1 (de) * 2021-04-01 2022-10-06 Herrmann Ultraschalltechnik Gmbh & Co. Kg Konverter mit integriertem Bolzen
CN114700544B (zh) * 2022-02-23 2023-12-12 重庆大学 一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置
KR102454238B1 (ko) * 2022-04-19 2022-10-14 주식회사 기드온소닉 수중 초음파 세척 진동자

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3396285A (en) * 1966-08-10 1968-08-06 Trustees Of The Ohio State Uni Electromechanical transducer
JP3730467B2 (ja) * 1999-12-27 2006-01-05 多賀電気株式会社 超音波振動子及び複合振動発生超音波振動子
US7876030B2 (en) * 2007-09-11 2011-01-25 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Ultrasonic transducer which is either crimped or welded during assembly
JP5000671B2 (ja) * 2009-01-30 2012-08-15 株式会社カイジョー 超音波発振器及び超音波洗浄装置
DE102009008227C5 (de) * 2009-02-10 2016-10-13 Sauer Ultrasonic Gmbh Schnittstelle für einen Werkzeugaktor bzw. für ein Werkzeug, insbesondere zum Verbinden mit einer Werkzeugmaschine
JP4830165B2 (ja) * 2010-01-27 2011-12-07 石川県 超音波モータ用振動子
JP5547610B2 (ja) * 2010-11-10 2014-07-16 三星電子株式会社 撮像素子ユニット及び撮像装置
CN102500502B (zh) * 2011-10-10 2016-02-10 苏州科技学院 一种二级超声振动雾化器
TW201420241A (zh) * 2012-07-23 2014-06-01 Kazumasa Ohnishi 具備工具之超音波振動體的支承構造
JP5308599B1 (ja) * 2013-01-16 2013-10-09 三重電子株式会社 加工装置
FR3029816B1 (fr) * 2014-12-15 2016-12-30 Cedrat Tech Transducteur tubulaire ultrasonore modulaire et immersible
CN107113513B (zh) * 2015-04-27 2019-11-08 奥林巴斯株式会社 超声波振子的制造方法和超声波振子
US10245064B2 (en) * 2016-07-12 2019-04-02 Ethicon Llc Ultrasonic surgical instrument with piezoelectric central lumen transducer

Also Published As

Publication number Publication date
CN112604929A (zh) 2021-04-06
JP6758715B2 (ja) 2020-09-23
US20180304308A1 (en) 2018-10-25
CN108136441B (zh) 2020-12-01
WO2017065263A1 (ja) 2017-04-20
EP3363548A4 (en) 2019-06-19
CN108136441A (zh) 2018-06-08
TWI724040B (zh) 2021-04-11
JPWO2017065263A1 (ja) 2019-01-10
EP3363548A1 (en) 2018-08-22
KR20180067551A (ko) 2018-06-20
TW202126426A (zh) 2021-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6758715B2 (ja) ランジュバン型超音波振動子の振動励起方法及び超音波加工方法と超音波送信方法
JP6863613B2 (ja) 超音波振動付与具及び超音波加工装置
JP6716082B2 (ja) ランジュバン型超音波振動子の縦・ねじり振動の励起方法
WO2014017460A1 (ja) 工具を備えた超音波振動体の支持構造
CN105263695B (zh) 包括振动解耦配对工具的超声波焊接设备
JP2012505083A5 (zh)
US20150128772A1 (en) Ultrasound-assisted method, ultrasonic oscillation system suitable for carring out the method, and sonotrode
JP2017221932A (ja) 超音波振動子とその振動励起方法
JP6831138B2 (ja) ランジュバン型超音波振動子の振動励起方法及び被加工材料の超音波加工方法
JP2020028873A (ja) ランジュバン型超音波振動子とその支持方法
JP2020073274A (ja) ランジュバン型超音波振動子の支持構造体、超音波加工装置及び超音波送信装置
JP6884363B2 (ja) 超音波加工用のランジュバン型超音波振動発生装置
CN112188938B (zh) 超声波振动赋予用具、行进波产生装置及超声波加工装置
JP2008212916A (ja) 超音波複合振動装置
RU2293012C2 (ru) Комбинированный способ обработки отверстий и устройство для его осуществления
JP2014507289A (ja) 質量体の振動運動を発生させるための方法及び装置
WO2020209362A1 (ja) 超音波振動付与具
JP2018176136A (ja) ランジュバン型超音波振動子の支持方法とその駆動方法
JP2006062069A (ja) 超音波振動テーブル
JP2019069432A (ja) フランジに付加質量体を持つ超音波振動子